(57)【要約】【課題】従来技術に比べて工程がより簡素で、制御がより容易で、低い損失と高い再現性が得られる平面光波回路及びその製造方法を提供する。【解決手段】本発明に従う光導波路を有する平面光波回路の製造方法は、基板９１０の上に予め定められたパターンの初期光導波路を形成し、この初期光導波路に熱を加えてリフローすることにより、変形光同波路１０３０を得る。【選択図】 図１０
2006146212.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光導波路を有する平面光波回路の製造方法であって、
(ｂ)基板の上に、予め定められたパターンの初期光導波路を形成するステップと、
(ｃ)前記初期光導波路に熱を加えることによりリフローするステップと、
を有することを特徴とする平面光波回路の製造方法。
【請求項２】
(ａ)前記基板の上に下部クラッドを形成するステップをさらに有し、
前記ステップ(ｂ）で、前記初期光導波路は、前記下部クラッド上に形成されること
を特徴とする請求項１記載の平面光波回路の製造方法。
【請求項３】
(ｄ)前記ステップ(ｃ）を経て変形された変形光導波路の上に、上部クラッドを形成するステップをさらに有すること
を特徴とする請求項１記載の平面光波回路の製造方法。
【請求項４】
前記初期光導波路の断面は、実質的に長方形であり、長さ方向に沿って、一定の幅と一定の高さを有すること
を特徴とする請求項１記載の平面光波回路の製造方法。
【請求項５】
前記初期光導波路の断面は、実質的に長方形であり、長さ方向に沿って、一定の高さと連続的に変わる幅を有すること
を特徴とする請求項１記載の平面光波回路の製造方法。
【請求項６】
前記ステップ(ｂ）の初期光導波路は、長さ方向に沿って幅ｄ(ｘ)と高さＴＣを有し、
前記ステップ(ｃ）を経て得られた変形光導波路は、長さ方向に沿って半径Ｒ(ｘ）を有し、
前記初期光導波路及び前記変形光導波路は、下記の <数式１>に示される関係を有することを特徴とする請求項１記載の平面光波回路の製造方法。
【数１】
2006146212.tif 000006
【請求項７】
前記光導波路は、ドーパントでドーピングされたシリカ(ＳｉＯ２)材質であること
を特徴とする請求項１記載の平面光波回路の製造方法。
【請求項８】
前記ドーパントは、ＧｅＯ２、Ｐ２Ｏ５、Ｂ２Ｏ３、ＴｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３のうちの少なくとも一つを含むこと
を特徴とする請求項７記載の平面光波回路の製造方法。
【請求項９】
前記初期光導波路は、火炎加水分解蒸着（ＦＨＤ）工程によって形成されること
を特徴とする請求項１記載の平面光波回路の製造方法。
【請求項１０】
前記初期光導波路は、フォトリソグラフィ工程によって形成されること
を特徴とする請求項１記載の平面光波回路の製造方法。
【請求項１１】
前記下部クラッドは、前記初期光導波路よりも低い屈折率を有すること
を特徴とする請求項２記載の平面光波回路の製造方法。
【請求項１２】
前記初期光導波路は、予め定められたパターンのスリットを有するマスクとフォトレジストを用いてコア層をエッチングすることによって前記下部クラッドの上に形成されること
を特徴とする請求項２記載の平面光波回路の製造方法。
【請求項１３】
基板と、
前記基板の上に形成され、予め定められたパターンを有する光導波路と、を含み、
前記光導波路は、熱によってリフローされるように凸状に突出された形状を有することを特徴とする平面光波回路。
【請求項１４】
前記基板と光導波路との間に形成される下部クラッドと、
前記光導波路の上に形成される上部クラッドと、
を含むことを特徴とする請求項１３記載の平面光波回路。
【請求項１５】
リフローされる以前の初期光導波路は、長さ方向に沿って、幅ｄ(ｘ)と高さＴＣを有し、
前記初期光導波路をリフローさせて得られた変形光導波路は、長さ方向に沿って半径Ｒ(ｘ）を有し、前記初期光導波路及び前記変形光導波路は、下記の<数式２>に示される関係を有することを特徴とする請求項１３記載の平面光波回路。
【数２】
2006146212.tif 000007
【請求項１６】
前記光導波路は、火炎加水分解蒸着（ＦＨＤ）工程によって形成されること
を特徴とする請求項１３記載の平面光波回路。
【請求項１７】
前記光導波路は、フォトリソグラフィ工程によって形成されること
を特徴とする請求項１３記載の平面光波回路。
【請求項１８】
前記下部クラッドは、前記光導波路よりも低い屈折率を有すること
を特徴とする請求項１４記載の平面光波回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光導波路素子(ｏｐｔｉｃａｌ  ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  ｄｅｖｉｃｅ)の製造方法に関し、特に、光通信システムに使用される、光集積回路(Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｃｉｒｃｕｉｔ)又は平面光波回路(Ｐｌａｎａｒ  Ｌｉｇｈｔｗａｖｅ  Ｃｉｒｃｕｉｔ：ＰＬＣ)に備えられる光導波路の形成方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
光集積回路は、光を一箇所から他の箇所に伝搬させ、或いは光の波長特性を調節してフィルター役割を果たすように設計された、直線又は曲線形状の光導波路、ミラー(ｍｉｒｒｏｒ)、レンズ(ｌｅｎｓ)などを含む。そして、光集積回路の製造にあっては、光導波路の屈折率を調節するために、ＧｅＯ２，Ｐ２Ｏ５，Ｂ２Ｏ３などが、シリカ(ＳｉＯ２)に添加するドーパント(ｄｏｐａｎｔ）として広く使用されている。
【０００３】
光通信システムの効率を高め、システムコストを抑えるためには、光集積回路内の光導波路とレーザー(ｌａｓｅｒ)との間の接続損失(ｃｏｕｐｌｉｎｇ  ｌｏｓｓ)、さらには光導波路と光ファイバー(ｏｐｔｉｃａｌ  ｆｉｂｅｒ)との間の接続損失を減少させることが、非常に重要である。そして、このような接続損失を減少するために、従来より様々な方法が試されてきている。特に、一般的な単一モード光ファイバー(ｓｉｎｇｌｅ  ｍｏｄｅ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｆｉｂｅｒ)の場合には、コア(ｃｏｒｅ)とクラッド(ｃｌａｄｄｉｎｇ)の屈折率差は０．３％に固定されているため、光集積回路のサイズを縮小するために光導波路の製造時に屈折率の高い材料を使用すると、光ファイバーと光導波路との間のモードの不一致によって、接続損失が大きく増加する。したがって、高集積光素子を製造するためには、接続損失を改善することが非常に重要な課題となる。 
【０００４】
また、最近研究されている平面ハイブリッド集積(Ｐｌａｎａｒ  Ｈｙｂｒｉｄ  Ｉｎｔｅｒｇｒａｔｉｏｎ) 素子の場合には、光源として使用されるレーザーダイオード(ｌａｓｅｒ  ｄｉｏｄｅ)、受光素子であるフォトダイオード(ｐｈｏｔｏｄｉｏｄｅ)、さらには薄膜フィルター(ｔｈｉｎ  ｆｉｌｍ  ｆｉｌｔｅｒ)などが、同一基板(ｓｕｂｓｔｒａｔｅ)上に集積されることになる。そのため、平面ハイブリッド集積素子の場合には、該素子と光ファイバーとの間の接続損失だけでなく、平面ハイブリッド集積素子内で各単位素子と光導波路との間の接続損失を最小化することが、非常に重要な課題となる。
【０００５】
現在まで知られている方法の内で、光素子と光ファイバーの接続損失を減少させることができる最も効率的で一般的な技術は、光モード変換器を用いる方法である。この方法では、光導波路の断面サイズを光集積回路の基板の水平方向又は垂直方向に変化させることにより、光導波路のモードサイズを光ファイバーのモードサイズと類似にする。ここで、光導波路の断面サイズを基板の水平方向に変化させること、すなわち、光導波路の側面（横側）のテーパー(ｌａｔｅｒａｌ  ｔａｐｅｒ)形状は、光導波路製造工程で一般的に用いられるエッチング工程用マスクでスリット(ｓｌｉｔ)の幅を調節することによって、容易に得られる。しかしながら、光導波路の断面サイズを基板の垂直方向に変化させること、すなわち光導波路の高さ（縦側）のテーパー(ｖｅｒｔｉｃａｌ  ｔａｐｅｒ）形状を得るには、より複雑な工程が要求される。
【０００６】
図１は、従来技術による熱拡張コア(ｔｈｅｒｍａｌｌｙ  ｅｘｐａｎｄｅｄ  ｃｏｒｅ)を有する平面光波回路１１０を形成するための装置を示すものであり、この装置は、ヒーター１２０と、ホルダー１３０とを含む。また、図１は、光モード変換器が製造（形成）される前の平面光波回路１１０を示している。
【０００７】
平面光波回路１１０は、コア１１２と、クラッド１１４とを含み、このコア１１２及びクラッド１１４は、シリカ及びドーパントからなる。そして、平面光波回路１１０の第１の端部はホルダー１３０に固定され、第２の端部は熱拡散(ｔｈｅｒｍａｌ  ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ)のためにヒーター１２０内に挿入される。ここで、ドーパントは、ヒーター１２０で供給される熱によって、コア１１２からクラッド１１４に拡散される。その結果、コア１１２の加熱された部分の断面サイズは、実質的に拡張される。
【０００８】
ヒーター１２０は、平面光波回路１１０の第２の端部を加熱することによって、コア１１２内のドーパントの拡散を誘導する。
【０００９】
ホルダー１３０は、平面光波回路１１０の第１の端部をクランピング(ｃｌａｍｐｉｎｇ)することで、平面光波回路１１０を固定する役割を担う。
【００１０】
すなわち、このドーパントは、ヒーター１２０から加えられる熱によりコア１１２からクラッド１１４に拡散され、その結果、コア１１２の加熱された部分の断面サイズが大きくなる。そして、これにより、コア１１２のモードが外部光ファイバーのモードと一致（match）する。このように、コア１１２の加熱された部分の断面サイズが大きくなった状態の平面光波回路１１０は、光モード変換器として使用することができる。
【００１１】
上述した熱拡散を用いる平面光波回路１１０の製造方法は、製造された平面光波回路１１０の一部分を加熱する工程の特性により、ウェハー(ｗａｆｅｒ)単位の工程ではなく、チップ(ｃｈｉｐ)単位の工程として用いられている。したがって、上述した工程を用いた製造方法では、多くの時間と労力が必要となる。加えて、熱拡散による温度勾配(ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  ｇｒａｄｉｅｎｔ)のために、光モード変換器の長さが約４ｍｍ程度と非常に長くなる。そのため、上述した製造方法は、実際に使用することが非常に困難であるという問題点があった。
【００１２】
図２乃至図４は、従来技術による３次元のテーパー形状を有する光導波路の製造方法を説明するための図である。その製造方法は、現在、一般的に使用されているグレースケールリソグラフィ(ｇｒａｙ  ｓｃａｌｅ  ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ)による方法を示す。この製造方法は、下記のステップ(ａ)〜(ｃ)を含む。
【００１３】
図２を参照すると、ステップ(ａ）では、基板２１の上にシリカ膜２２及びフォトレジスト膜(ｐｈｏｔｏｒｅｓｉｓｔ  ｌａｙｅｒ）２３を順次に積層し、その上にグレースケールマスク２４を配置させる。
【００１４】
ここで、基板２１の上にシリカ膜２２を形成するために、化学気相蒸着(Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＣＶＤ)工程、火炎加水分解蒸着(Ｆｌａｍｅ  Ｈｙｄｒｏｌｙｓｉｓ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＦＨＤ)工程などが使用可能である。この内、化学気相蒸着は、プラズマ強化化学気相蒸着(Ｐｌａｓｍａ  Ｅｎｈａｎｃｅｄ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＰＥＣＶＤ)、低圧力化学気相蒸着(Ｌｏｗ  Ｐｒｅｓｓｕｒｅ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＬＰＣＶＤ)などに分類できる。フォトレジスト膜２３は、シリカ膜２２の上に液体状態のフォトレジストを落とした後に、基板２１を高速で回転させることによって、シリカ膜２２上に一定の厚さに形成されることができる。 
【００１５】
グレースケールマスク２４は、フォトレジスト膜２３の上に配置され、水平方向における紫外線透過度が異なるように製造されるマスクであり、ガラス材質で作ることができる。 
【００１６】
図３を参照すると、ステップ(ｂ）では、グレースケールマスク２４を用いてフォトレジスト膜２３をフォトリソグラフィすることにより、フォトレジストマスク３３を形成する。すなわち、フォトレジストマスク３３は、紫外線光を用いる露光及び現像過程を経て形成される。露光及び現像過程を通じて残されるフォトレジストマスク３３の高さは、グレースケールマスク２４を用いてフォトレジスト膜２３に照射される紫外線の強度を水平方向に変化させることによって、水平方向に沿って変化される。
【００１７】
図４を参照すると、ステップ(ｃ）では、フォトレジストマスク３３を用いてシリカ膜２２をエッチングすることによって、３次元のテーパー形状を有する光導波路４２を形成する。すなわち、水平方向に沿って異なる高さを有するフォトレジストマスク３３を用いてシリカ膜２２をエッチングすると、フォトレジストマスク３３の水平方向に沿った垂直方向の輪郭(ｖｅｒｔｉｃａｌ  ｐｒｏｆｉｌｅ）がシリカ膜２２に転写(ｔｒａｎｓｆｅｒ)され、これにより、３次元のテーパー形状を有する光導波路４２が形成される。このようなグレースケールリソグラフィ方法は、３次元のテーパー形状を有するコアだけでなく、マイクロレンズなどの製造にも広く使用される。
【００１８】
図５は、上述した方法によって製造された３次元のテーパー形状を有する光導波路の例を写真撮影して示す図である。
【００１９】
しかしながら、グレースケールリソグラフィ方法の最も大きな問題点は、種々の要因のため、工程の制御が容易でないということである。グレースケールマスク２４を用いた紫外線露光及び現像工程における実験データによれば、グレースケールリソグラフィ方法は、フォトレジストの均一度、大気の温度や湿度、現像液の温度、露光工程での紫外線の強度及び時間、などに対して非常に敏感である。したがって、工程の制御が容易でなく、かつ、再現性(ｒｅｐｒｏｄｕｃｉｂｉｌｉｔｙ)が低いという短所を有する。さらには、グレースケールマスク２４が一般的なエッチング用マスクに比べて高コストであるため、コストが余計にかかるという問題点があった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
したがって、本発明の目的は、従来技術に比べて工程がより簡素で、制御がより容易で、低い損失と高い再現性が得られる平面光波回路及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
上記の目的を達成するために、本発明は、光導波路を有する平面光波回路の製造方法であって、基板の上に、予め定められたパターンの初期光導波路を形成するステップと、前記初期光導波路に熱を加えることによってリフローするステップと、を有することを特徴とする。
【００２２】
また、本発明の平面光波回路は、基板と、該基板の上に形成され、予め定められたパターンを有する光導波路と、を含み、光導波路は、熱によってリフローされるように凸状に突出される形状を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、従来技術と比較して工程がより簡素で、制御がより容易で、低い損失と高い再現性が得られる平面光波回路及びその製造方法を提供することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、本発明の望ましい実施形態を添付の図面を参照して詳細に説明する。
【００２５】
下記に、図面において、同一の構成要素に対してはできるだけ同一の参照符号及び参照番号を付して説明する。本発明に関連した公知の機能或いは構成に関する具体的な説明が、本発明の要旨を不明にすると判断された場合に、その詳細な説明を省略する。
【００２６】
図６乃至図８は、本発明の望ましい実施形態による平面光波回路の製造方法を説明するための図である。
【００２７】
図６を参照すると、ステップ(ａ）では、基板６１０の上に下部クラッド６２０を積層する。基板６１０は、シリコン(ｓｉｌｉｃｏｎ)からなり、下部クラッド６２０はシリカ(ＳｉＯ２）からなる。ここで、下部クラッド６２０は、屈折率の調節のために、ＧｅＯ２、Ｐ２Ｏ５、Ｂ２Ｏ３などのドーパントを含めることができ、火炎加水分解蒸着（ＦＨＤ）工程を通じて形成されることができる。
【００２８】
ステップ(ｂ)では、下部クラッド６２０の上に、光の伝送媒体として機能するための、予め定められたパターン(ｐａｔｔｅｒｎ)の初期光導波路６３０を積層する。初期光導波路６３０は、火炎加水分解蒸着（ＦＨＤ）工程及びフォトリソグラフィ工程を通じて形成される。初期光導波路６３０は、下部クラッド６２０よりも屈折率が高い構成とする。換言すると、光を初期光導波路６３０内にロック(ｌｏｃｋ)するために、下部クラッド６２０は、初期光導波路６３０よりも低い屈折率を有する。なお、基板６１０が石英からなる場合のように、基板６１０自体が下部クラッド６２０の役割を遂行する場合には、下部クラッド６２０を形成するためのステップ(ａ）を省略することが可能である。以下、ステップ(ｂ）について詳細に説明する。
【００２９】
予め定められたパターンを有する初期光導波路６３０は、下部クラッド６２０の上にコア膜を形成し、予め定められたパターンのスリットを有するマスク及びフォトレジストを用いてコア膜をフォトリソグラフィすることで形成される。本実施形態では、初期光導波路６３０の断面は長方形であり、その長さ方向(ｘ軸方向)に沿って、幅(ｙ軸方向)と高さ(ｚ軸方向)は一定となっている。なお、他の実施形態として、初期光導波路６３０の長さ方向に沿って、高さは一定で、幅は連続的に変化するようにしてもよい。
【００３０】
さらに詳細に説明すると、熱によるリフロー(ｒｅｆｌｏｗ）過程であるステップ(ｃ）を遂行する前に、初期光導波路６３０は、その長さ方向に沿って、下部幅ｄ(ｘ)と高さＴＣを有する。ここで、図６乃至図８に示したｘ軸の方向は、初期光導波路６３０の長さ方向を示すもので、図６ではシート（紙面）に対して垂直な方向を意味する。初期光導波路６３０は、ドーパントでドーピングされたシリカ(ＳｉＯ２）からなり、ドーパントはＧｅＯ２、Ｐ２Ｏ５、Ｂ２Ｏ３、ＴｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３のうちの少なくとも一つを含めることが可能である。 
【００３１】
図７を参照すると、ステップ(ｃ）では、初期光導波路６３０に熱を加えることで、これをリフローさせる。すなわち、初期光導波路６３０に高温の熱を加えると、この初期光導波路６３０の状態が固体から液体に変化しつつ、粘性流動(ｖｉｓｃｏｕｓ  ｆｌｏｗ）が発生する。
【００３２】
したがって、初期光導波路６３０は、流体の流動性によってリフローされる。具体的には、初期光導波路６３０の断面は、表面張力(ｓｕｒｆａｃｅ  ｔｅｎｓｉｏｎ)によって、全体的に凸形状、すなわち下部クラッド６２０の表面から凸状に(あるいは丸く)突出された形状に変形される。
【００３３】
これを幾何学的に表現すると、初期光導波路６３０の断面は、図７に示すように、円から所定の弧部分が切除された形状(すなわち、弓形(ｓｅｇｍｅｎｔ))の変形光導波路７３０に変形される。すなわち、下部クラッド６２０の表面上に流体がリフローされることで生じたこの断面の形状は、完全な円形ではなく、一本の弦(図７に示すｄ(ｘ)の長さを有する弦)によって円の一部が切断（切除）された形状を有する。このときに、弦の長さｄ(ｘ)が変形光導波路７３０の断面の直径２Ｒ(ｘ)よりも小さくなるように、初期光導波路６３０の高さＴＣと下部幅ｄ(ｘ)とが（予め）調節される。
【００３４】
一般的に、初期光導波路６３０にドーピングされたドーパントの含有量が高いほど、リフローが始まる温度は低い。したがって、下部クラッド６２０よりも初期光導波路６３０のドーパント含有量が高いため、或いは、初期光導波路６３０のみがドーパントを含有するため、適正な温度の熱が使用された場合には、リフロー現象は、初期光導波路６３０のみに限定して生じる。
【００３５】
変形光導波路７３０は、長さ方向に沿って、半径Ｒ(ｘ)及び下部クラッド６２０の表面から曲率中心までの高さｈ(ｘ)を有する。変形光導波路７３０の高さＨ(ｘ）は、初期光導波路６３０の高さＴＣが上記リフローにより変化することで得られる。一方、この変形光導波路７３０の下部幅ｄ(ｘ）は、初期光導波路６３０の下部幅と同一である。すなわち、リフロー過程の前後において、下部幅ｄ(ｘ)は変化することがない。
【００３６】
初期光導波路６３０の断面が、長さ方向に沿って下部幅ｄ(ｘ)と高さＴＣとが一定である場合には、熱によるリフローで変形された変形光導波路７３０の断面は、長さ方向に沿って同一の半径Ｒ(ｘ)及び高さＨ(ｘ)を有する。
【００３７】
一方、初期光導波路６３０の高さＴＣが一定で、下部幅ｄ(ｘ)が変化する場合には、リフロー後の変形光導波路７３０の半径Ｒ(ｘ)及び高さｈ(ｘ)の双方が、長さ方向に沿って変わることになる。したがって、初期光導波路６３０の下部幅ｄ(ｘ)が長さ方向に沿って連続的に変わる形状の場合には、リフロー後の変形光導波路７３０の半径Ｒ(ｘ)及び高さＨ(ｘ）は、長さ方向に沿って連続的に変化することになり、その結果、３次元のテーパー形状を有する光導波路を製造することが可能になる。ここで、変形光導波路７３０の断面の変化は、下記のように解析できる。
【００３８】
まず、変形光導波路７３０の半径Ｒ(ｘ)、曲率中心の高さｈ(ｘ)、及び下部幅ｄ(ｘ)の間には、幾何学的な条件に従い、下記の＜数３＞の関係が成立する。ここで、変数ｘは、変形光導波路７３０の長さ方向の座標値である。 
【数３】
2006146212.tif 000003
【００３９】
仮に、光導波路の幅及び高さが当該光導波路の長さと比較して無視できる程小さい場合には、光導波路が無限に長いと仮定することができ、また、リフロー過程前後の光導波路の断面積が同一であると仮定することができる。与えられた位置ｘでの初期光導波路６３０の断面積と、リフロー過程以後の変形された光導波路７３０の断面積とが同一であるという仮定は、初期光導波路６３０の微小体積（すなわち、断面積＊(ｄｘ)の値）を制御体積(ｃｏｎｔｒｏｌ  ｖｏｌｕｍｅ)とするときに、制御体積からｘ軸方向の流入質量と流出質量とを合算した値、すなわち総質量移動(ｎｅｔ  ｍａｓｓ  ｔｒａｎｓｆｅｒ）の値が０であることを意味している。
【００４０】
仮に、初期光導波路６３０の断面積が急激に変化する場合には、すなわち、初期光導波路６３０が短いと仮定すると、表面張力によって初期光導波路６３０の端部でもまた、他のリフローパターンが形成されるという点を考慮する必要がある。言い換えれば、変形光導波路７３０の端部は、平面ではなく球形になる、ということである。これは、制御体積からｘ軸方向への総質量移動（の値）が０でない場合を意味する。したがって、このような場合には、質量保存の法則が成立しない。
【００４１】
例えば、モード変換器を製作する場合に、その大きさの程度(ｏｒｄｅｒ  ｏｆ  ｍａｇｎｉｔｕｄｅ)を考えてみると、一般に、その光導波路の幅及び高さは数ｍｍ程度であるが、光導波路の長さは数百ｍｍにもなる。加えて、モード変換器のテーパー角(ｔａｐｅｒ  ａｎｇｌｅ）が非常に小さいため(これは、光損失のため、テーパー角を大きくすることは不可能だからである。)、かかるモード変換器の各端部の断面積は、非常に小さい。したがって、リフローによる変化の程度も、無視できる程に非常に小さい。ゆえに、各端部でのｘ軸方向への総質量移動が‘０’であると仮定することができる。そして、モード変換器の両端部での総質量移動が‘０’であると仮定すると、同様に、モード変換器内の制御体積での総質量移動も‘０’であると仮定することができる。
【００４２】
したがって、初期光導波路６３０の断面積と変形光導波路７３０の断面積との間で質量保存の法則が成立すると仮定すれば、下記＜数４＞が得られる。
【数４】
2006146212.tif 000004
【００４３】
ここで、ｄ(ｘ)ＴＣは初期導波路６３０の断面積を示し、πＲ(ｘ)２は半径がＲ(ｘ)である円の広さ（面積）を示し、０．５Ｒ(ｘ)２ｃｏｓ−１(ｈ(ｘ)/Ｒ(ｘ)）は半径がＲ(ｘ)で、中心角が ｃｏｓ−１(ｈ(ｘ)/Ｒ(ｘ)）である扇形の広さを示し、０．５ｄ(ｘ)ｈ(ｘ）は底辺がｄ(ｘ)で、高さがｈ(ｘ)である三角形の広さを、それぞれ示す。
【００４４】
すなわち、リフロー過程を経る前の初期光導波路６３０の断面積ｄ(ｘ)ＴＣは、半径がＲ(ｘ)である円の面積πＲ(ｘ)２から、長さｄ(ｘ）の弦により切除された小さな円部(ｃｉｒｃｕｌａｒ  ｐｉｅｃｅ)の面積｛０．５Ｒ(ｘ)２ｃｏｓ−１(ｈ(ｘ)/Ｒ(ｘ))-０．５ｄ(ｘ)ｈ(ｘ）｝を減算した変形光導波路７３０の断面積と等しい。ここで、「小さな円部」とは、円を弦によって切断することで生じた２つの円部のうち、相対的にサイズが小さい円部を意味する。 
【００４５】
上記の＜数３＞及び＜数４＞を組み合わせて解くと、変数Ｒ(ｘ)とｈ(ｘ)が求められる。すなわち、＜数３＞を＜数４＞に代入してＲ(ｘ)のみで示すと、下記のような＜数５＞が得られる。
【数５】
2006146212.tif 000005
【００４６】
＜数５＞にバイセクション法(Ｂｉ-Ｓｅｃｔｉｏｎ  Ｍｅｔｈｏｄ)のような反復計算による数値解析法を適用すると、与えられたｄ(ｘ)及びＴＣに応じてＲ(ｘ)の値を得ることができる。この得られたＲ(ｘ)の値を上記の＜数３＞に代入することによって、ｈ(ｘ)の値が得られる。
【００４７】
高さと下部幅の両方が変わる３次元のテーパー形状を有する光導波路を形成するためには、同一の熱処理条件で光導波路の下部幅ｄ(ｘ)が変化するときに、各下部幅ｄ(ｘ)において同一形態のリフローが発生することが要求される。これは、３次元のテーパー形状を有する光導波路の製造に必要な下部幅ｄ(ｘ）の範囲内で、＜数３＞〜＜数５＞がすべて適用可能でなければならないことを意味する。
【００４８】
図８を参照すると、ステップ(ｄ）では、変形光導波路７３０の上に上部クラッド８４０を形成する。この上部クラッド８４０は、下部クラッド６２０と同一の屈折率を有し、火炎加水分解蒸着（ＦＨＤ）工程を通じて形成される。上部クラッド８４０は、変形光導波路７３０を取り囲み、下部クラッド６２０と共に変形光導波路７３０を完全に取り囲むことにより、光を変形光導波路７３０内にロックする機能を遂行する。
【００４９】
図９及び図１０は、本発明の望ましい実施形態による３次元のテーパー形状を有する光導波路の製造方法を説明するための斜視図である。
【００５０】
図９を参照すると、初期光導波路９３０は、四角形の断面を有し、長さ方向(すなわち、ｘ軸方向）に沿って、高さＴＣは一定であり、下部幅ｄ(ｘ）は連続的に変化する形状を有し、基板９１０及び下部クラッド９２０の上に形成される。この初期光導波路９３０は、その前端(ｆｒｏｎｔ  ｅｎｄ)位置(すなわち、ｘ＝０の位置)で最小の下部幅ｄ(０)を有し、ｘ値が増加するに従って(すなわち、その前端から後端(ｒｅａｒ  ｅｎｄ)側に進むにつれて)、下部幅ｄ(ｘ）が連続的に増加する形状となっている。
【００５１】
ここで、下部幅ｄ(ｘ）は、初期光導波路９３０をフォトリソグラフィ工程を通じて形成する過程で、エッチング用マスクのスリットの線幅を調節することによって、調節ないし制御することができる。そして、このスリットの形状によって、多様な形状の初期光導波路を形成することができる。
【００５２】
図１０を参照すると、初期光導波路９３０は、熱を加えられることによって、リフローが発生し、変形光導波路１０３０に変形される。ここで、リフローによる変形光導波路１０３０の断面の変化は、図７に示した変形光導波路７３０の断面変化過程と等価である。すなわち、初期光導波路９３０の下部幅ｄ(ｘ）の変化に起因する変形光導波路１０３０の曲率中心の高さｈ(ｘ)及び半径Ｒ(ｘ）は、上述した＜数３＞〜＜数５＞で表される関係（相関性）を有する。そして、熱によるリフロー過程を経ることによって、初期光導波路９３０の断面は、全体的に凸形状、すなわち下部クラッド９２０の表面から凸状に(あるいは丸く)突出された形状に変形される。
【００５３】
これを幾何学的に表現すると、初期光導波路７３０の断面は、図１０に示すように、円から所定の弧部分が切除された形状(すなわち、弓形)の変形光導波路１０３０に変形される。すなわち、本実施形態では、初期光導波路９３０の高さＴＣが一定であるが、その下部幅ｄ(ｘ）の変化に起因して、リフローにより得られる変形光導波路１０３０は、その長さ方向に沿って高さＨ(ｘ)及び直径Ｄ(ｘ）が連続的に変形される、３次元のテーパー形状を呈するようになる。 
【００５４】
図１１Ａ〜図１１Ｅは、変形光導波路の例示図（写真撮影図）である。これら図１１Ａ〜図１１Ｅは、初期光導波路の下部幅に沿った変形光導波路の断面変化を写真撮影して示すものである。
【００５５】
図１１Ａは、初期光導波路の下部幅が５μｍである場合の変形光導波路の断面を示し、図１１Ｂは、初期光導波路の下部幅が１０μｍである場合の変形光導波路の断面を示し、図１１Ｃは、初期光導波路の下部幅が１５μｍである場合の変形光導波路の断面を示し、図１１Ｄは、初期光導波路の下部幅が２０μｍである場合の変形光導波路の断面を示し、図１１Ｅは、初期光導波路の下部幅が２５μｍである場合の変形光導波路の断面を示す。
【００５６】
図１１Ａ〜図１１Ｅに示す各場合において、リフロー前に実際に使用した初期光導波路は、長方形の断面を呈する直線型であり、その長さ方向に沿って一定の高さ（２５μｍ）を有するものである。この初期光導波路は、９００℃で１０時間の間、熱によるリフロー過程を行うことで、その断面が図１１Ａ〜図１１Ｅに示す形状に変形された。この変形された光導波路の断面は、走査電子顕微鏡(ｓｃａｎｎｉｎｇ  ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）を用いて写真撮影されたものである。このように、リフロー過程以前の初期光導波路の高さが一定であっても、その下部幅が異なると、図１１Ａ〜図１１Ｅに示すように、リフローによって得られる変形光導波路の高さが変わることが分かる。すなわち、（形成しようとする）変形光導波路の高さは、初期光導波路の下部幅を変化させることによって調節ないし制御することができる。 
【００５７】
図１２は、変形光導波路の下部幅の変化に対する断面積の変化を示し、上記の＜数３＞を使用して計算した結果をグラフで示すものである。この図１２の例では、リフロー過程前の初期光導波路につき、高さＴＣが一定の１２μｍであり、下部幅ｄ(ｘ)が１〜１０μｍまで線形的に変化する形状の場合に、リフロー過程を経た変形光導波路の高さＨ(ｘ)及び直径Ｄ(ｘ)を示している。
【００５８】
図１２のグラフに表されたように、高さ１２μｍ及び下部幅１μｍの直線型の初期光導波路の長方形断面の部位は、高さＨ(ｘ)＝３．８５μｍ及び直径Ｒ(ｘ)＝３．９２μｍの弓形に変化する。また、高さ１２μｍ、下部幅１０μｍの直線型の初期光導波路の長方形断面の部位は、高さＨ(ｘ)＝１０．８６μｍ及び直径Ｒ(ｘ)＝１３．１６μｍの弓型に変化することが分かる。
【００５９】
上述した本発明の実施形態によれば、初期光導波路の一般的なエッチング工程で、初期光導波路の下部幅ｄ(ｘ)の設計（デザイン）を変更することにより、所望の断面の大きさを有するテーパー形状の光導波路を製造することが可能になる。また、本発明の実施形態によれば、最小限の長さを有する光モード変換器の設計が可能になる。
【００６０】
さらに、本発明を適用した光導波路のリフローを用いる平面光波回路及びその製造方法は、以下のような数多くの利点を有する。以下、「２次元」とは、光導波路の幅のみを変化させることを意味し、「３次元」とは、光導波路の幅及び高さを変化させることを意味する。
【００６１】
第１に、本発明によれば、通常の光導波路の製造のための２次元のエッチング工程を通じて、光導波路の断面の高さと幅が同時に変えられる３次元のテーパー形状を有する光導波路、及びこれを適用した光モード変換器を製造することが可能になる。
【００６２】
第２に、本発明の実施形態は、チップ単位の工程である既存の熱拡張コアを有する平面光波回路の製造方法とは異なり、ウェハー単位の工程に適用できるため、製造が容易であり、かつ再現性がより高い。また、既存のグレースケールリソグラフィ方法と比較しても、本発明を適用した工程はより簡素であり、再現性がより高い。また、本発明を適用した工程は、グレースケールマスクが不要なので、追加コストがかからないという利点がある。
【００６３】
第３に、本発明の実施形態によれば、製造工程の解析が簡易かつ予測可能であり、２次元マスクのスリット幅の設計を通じて、光損失がない条件、すなわち、光の断熱条件(ａｄｉａｂａｔｉｃ  ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ)を満たすモード変換器を製造することが可能になる。したがって、従来技術では光損失を最小化するためにモード変換器の長さを不必要に長く作っていたが、本発明によればモード変換器の長さを最小限に短くすることができるという利点がある。
【００６４】
第４に、モード変換器を必要とする大部分の高屈折率(ｈｉｇｈ  ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ  ｉｎｄｅｘ)の光導波路では、エッチング工程での側面粗さ(ｓｉｄｅｗａｌｌ  ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ)が光損失の主要な原因になることが知られている。本発明の実施形態によれば、光導波路とモード変換器の表面粗さは熱処理工程で除去されるため、高屈折率の光導波路における光損失を低減させる利点がある。
【００６５】
以上、本発明を具体的な実施形態及び実施例に則して詳細に説明したが、形式や細部についての種々の変更が、特許請求の範囲の記載により規定されるような本発明の精神及び範囲から逸脱することなく行われることが可能であることは、当該技術分野における通常の知識を有する者には明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】従来技術による熱拡張されたコアを有する平面光波回路を形成するための装置を示す概略図である。
【図２】従来技術による３次元のテーパー形状を有する光導波路の製造方法を説明するための図である。
【図３】従来技術による３次元のテーパー形状を有する光導波路の製造方法を説明するための図である。
【図４】従来技術による３次元のテーパー形状を有する光導波路の製造方法を説明するための図である。
【図５】従来技術による３次元のテーパー形状を有する光導波路の例を写真撮影して示す図である。
【図６】本発明の望ましい実施形態による平面光波回路の製造方法を説明するための断面図である。
【図７】本発明の望ましい実施形態による平面光波回路の製造方法を説明するための断面図である。
【図８】本発明の望ましい実施形態による平面光波回路の製造方法を説明するための断面図である。
【図９】本発明の望ましい実施形態による３次元テーパー形状を有する光導波路の製造方法を説明するための斜視図である。
【図１０】本発明の望ましい実施形態による３次元テーパー形状を有する光導波路の製造方法を説明するための斜視図である。
【図１１Ａ】変形光導波路の例示図（写真撮影図）である。
【図１１Ｂ】変形光導波路の例示図（写真撮影図）である。
【図１１Ｃ】変形光導波路の例示図（写真撮影図）である。
【図１１Ｄ】変形光導波路の例示図（写真撮影図）である。
【図１１Ｅ】変形光導波路の例示図（写真撮影図）である。
【図１２】変形光導波路の下部幅の変化に対する断面積の変化を示すグラフである。
【符号の説明】
【００６７】
６１０，９１０  基板
６３０，９３０  初期光導波路
６２０，９２０  下部クラッド
８４０  上部クラッド
【図１】
2006146212.tif 000008
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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【図１１Ｄ】
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【図１１Ｅ】
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【図１２】
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